ارتباط بین مقاومت‌ویژه الکتریکی با پارامتر مکانیکی کرنش در سنگ‌ها‌ی رسوبی

راه اندازی تور مجازی فروشگاه سنگ ساز رنان
۲۵ اسفند ۱۳۹۳
اطلاعات مربوط به ماده معدنی
۳۰ خرداد ۱۳۹۵

ارتباط بین مقاومت‌ویژه الکتریکی با پارامتر مکانیکی کرنش در سنگ‌ها‌ی رسوبی

چكيده

خواص فیزیکی – مکانیکی سنگ‌ها پارامترهای مهمی در طراحی کارهای مهندسی و طبقه‌بندی توده سنگ‌ها برای اهداف مهندسی است. مطالعات اخیر نشان می‌دهند که روش‌های ژئوفیزیکی به‌ویژه الکتریکی و لرزه‌نگاری قادرند پارامترهای مکانیکی را تخمین زده و تغییرات مکانی آنها را تشخیص دهند. پس از اندازه‌گیری سرعت موج طولی ۶ نمونه در حالت اشباع، الکترودهای مخصوصی روی آنها نصب شد و آزمایش فشاری سه محوری و عبور جریان الکتریکی از نمونه‌ها به‌طور همزمان صورت پذیرفت و تغییرات مقاومت‌ویژه ‌الکتریکی در حین بارگذاری اندازه‌گیری شد. آزمایش‌های انجام گرفته بر روی نمونه­ها نشان داد که با افزایش کرنش همواره مقاومت‌ویژه کاهش می‌یابد. رفتار مقاومت‌ویژه حین بارگذاری به ایجاد درزه‌های القایی (افزایش تخلخل) همزمان با افزایش کرنش‌، ارتباط داده شد. همچنین نمودار مقاومت فشاری سه‌محوره با سرعت موج طولی رسم گردید. نتایج نشان داد، تغییرات سرعت موج طولی با مقاومت فشاری سه‌محوره رابطه مستقیم دارند.

مقدمه

خصوصیات مکانیکی از جمله‌ی مهمترین پارامترهای سنگ می‌باشند که به طور گسترده در پروژه‌های عمرانی و معدنی مورد نیاز بوده و تعیین می‌گردند. انجام مستقیم و دقیق این آزمایش‌ها معمولا زمان‌گیر و پرهزینه می‌باشند، لذا در سالهای اخیر کوشش‌های بسیاری مبنی بر تخمین این پارامترها با استفاده از روش‌های غیر مخرب ژئوفیزیکی و سرعت موج طولی انجام گرفته است. تحقیقات بسیار کمی در ارتباط بین مقاومت‌ویژه الکتریکی و خواص سنگ‌ها وجود دارد(قربانی و همکاران ۲۰۱۱). تحقیقات (براس و همکاران ۱۹۶۵)روشن ساخت که مقاومت‌ویژه سنگ‌های بلورین در تنش‌های کم، افزایش و سپس در تنش‌های زیاد کاهش می‌یابد. همچنین مطالعات انجام شده نشان داده است که مقاومت‌ویژه با افزایش UCS کاهش می‌یابد(کیت و گخال ۱۹۹۸). (آرا و همکاران ۲۰۰۴) دریافتند که مقاومت‌ویژه نمونه‌های سنگ کربناته با ۲۰ درصد رس و ۷۰ درصد اشباع آب با افزایش تنش محوری افزایش می یابد.
روش تحقیق

هدف از انجام آزمایشها بررسی ارتباط بین خواص مکانیکی و الکتریکی نمونه‌های تقریبا اشباع سنگی مختلف با ساخت‌های متفاوت می باشد. نمونه مغزه های به قطر ۵۲ میلیمتر و طول ۱۱ سانتی متر انتخاب گردید.۵ نمونه مغزه از سنگ‌های رسوبی مختلف انتخاب شدند و به مدت ۸ تا ۱۶ روز در آب قرار گرفتند. سرعت انشار امواج طولی نمونه‌ها اندازه‌گیری شد(جدول۱). سرعت این امواج بستگی به مقاومت تراکمی و کششی سنگ یا به طور کلی کیفیت سنگ دارد. همچنین به منظور مطالعه کانیهای تشکیل‌دهنده سنگ و بافت آن، مقاطع نازک تهیه گردید. مقاومت‌ویژه الکتریکی نمونه‌ها حین آزمایش فشار سه محوری مطابق استاندارد ASTM صورت پذیرفت. الکترودهای جریان دارای قطر ۵۲ میلیمتر می‌باشند. لذا خطوط جریان به طور یکنواخت از همه سطح مقطع نمونه عبور می‌کند. دستگاه، مقاومت الکتریکی نمونه ها را در جریان مستقیم اندازه‌گیری کرده، با حاصل ضرب فاکتور هندسی آرایش(که فقط به محل قرار گیری الکترودها وابسته است)، مقاومت‌ویژه از رابطه (۱) بدست می‌آید:

(۱) ρ = K.R=K.ΔV/I=(A/L).(ΔV/I)

که در آن Aسطح مقطع نمونه،L فاصله بین الکترودهای پتانسیل، ΔV اختلاف پتانسیل بین دو الکترود و I جریان عبوری از نمونه می باشد.

03

جدول۱- پارامترهای فیزیکی ومکانیکی اندازه گیری شده بر روی ۶ مغزه در آزمایشگاه. ستون آخر مدت زمان قرار گیری نمونه ها در آب را نشان می دهد.

در آزمایش سه محوری دونمونه ماسه سنگ، دو نمونه آهک فسیلی با اشباع آب های متفاوت، یک نمونه تراورتن و یک نمونه آهک تحت تنش سه محوری قرار گرفتند. به طور همزمان مقادیر مقاومت ویژه اندازه گیری شد. مقدار فشار جانبی برای هر نمونه مقدار ثابت ۱۰مگاپاسکال در نظر گرفته شد. شکل (۱) منحنی تنش- کرنش را برای این نمونه‌ها نشان می‌دهد. شکل (۲) منحنی همزمان مقاومت ویژه نرمالیزه – کرنش برای نمونه‌های مورد آزمایش را نشان می‌دهد. نرمالیزه کردن مقاومت ویژه، از نسبت مقاومت‌ویژه بر ماکزیمم مقدار آن بدست آمده است. برای هر ۶ نمونه با اشباع های مختلف با افزایش تنش مقدار مقاومت ویژه کاهش می‌یابد. به نظر می‌رسد اعمال تنش باعث ایجاد درزه‌های القایی شده که تا نقطه شکست افزایش می‌یابند. لذا با افزایش کرنش، تخلخل افزایش یافته و مقاومت‌ویژه سنگ کاهش می‌یابد

4

شکل (۱). منحنی تنش-کرنش بدست آمده برای نمونه‌های مختلف و با اشباع های مختلف در آزمایش سه محوری

 

6

شکل(۲). منحنی همزمان مقاومت ویژه نرمالیزه-کرنش بدست آمده برای ۶ نمونه.

همچنین نمودار مقاومت فشاری سه محوری – سرعت موج طولی نمونه‌های مورد آزمایش رسم گردید. ضریب همبستگی نسبتا خوب ۶۸/۰ حاکی از آن است که، با افزایش سرعت موج در سنگ، مقاومت فشاری سه محوره افزایش می‌یابد. افزایش سرعت موج به این معنی است که سنگ متراکم و از استحکام بالایی برخوردار است و این باعث افزایش مقاومت مکانیکی آن نیز می‌شود. شکل(۳) این نکته را تایید می‌کند.

 

5

شکل (۳). نمودار مقاومت فشاری سه محوری – سرعت موج طولی نمونه سنگ‌های رسوبی

نتيجه‌گيري

اندازه‌گیری آزمایش سه محوری همزمان با مقاومت‌ویژه بر روی ۶ نمونه با اشباع آب مختلف انجام شد. قبل از انجام آزمایش، سرعت موج طولی هر نمونه اندازه گیری شد. در آزمایش سه‌محوری تمامی نمونه‌ها کاهش مقاومت‌ویژه را در محدوده افزایش کرنش نشان دادند. رفتار مقاومت‌ویژه به ایجاد درزه‌های القایی همزمان با افزایش تنش ارتباط داده شده است. همچنین نمودار مقاومت فشاری سه محوری – سرعت موج طولی رسم گردید که ضریب همبستگی ۶۸/۰ گویای پیوند خوبی میان این دو پارامتر است، به طوری که با افزایش سرعت موج طولی، مقاومت فشاری سه محوری نیز افزایش می یابد.
منابع

قربانی،احمد؛قاری،حسینعلی؛نمیرانیان،افشین؛امامی،عنایت اله،۱۳۹۰،مونیتورینگ مقاومت ویژه الکتریکی سنگ حین آزمایش مقاومت فشاری تک محوری در آزمایشگاه،چهارمین کنفرانس مکانیک سنگ ایران،تهران.

Ara,T.,Bjorndalen,N.,Talabani,S.,and Islam,M.R.,2004,Predicting oil reserve in carbonate reservoirs:EEC Innovation,2,20-43.

Brace,W.F.,Orange,A.S.,and Madden,T.R.,1965,The effect of pressure on the electrical resistivity of water-saturated crystalline rocks:J.Geophys.Res.,70,5669-5678.

Kate,J.M.,and Rao,K.S.,1989,Effect of large overburden stress on geophysical behaviour of sandstone,in maury,V.,and Fourmaintraux,D.,eds.,Proceeding of the ISRM-SPE International symposium on rock at great depth,vol.1,Rotterdam:Balkema,171-178